Renderização artística da linha de luz de imagem VENUS em construção na Fonte de Nêutrons de Espalação do ORNL. A VENUS fornecerá percepções impactantes em áreas de pesquisa, como as apresentadas, incluindo combustíveis nucleares, como urânio (esquerda), materiais fabricados aditivamente, processos biológicos, componentes de engenharia, estudos de materiais arqueológicos e naturais. Crédito:ORNL / Jill Hemman
A capacidade de ver diretamente a estrutura atômica dos materiais fornece informações essenciais para acelerar o design e melhorar o desempenho de tecnologias futuras. Visualizar no espaço real o comportamento e a dinâmica dos materiais requer sondas poderosas e instrumentação avançada.
A construção da VENUS começou, um instrumento de imagem de nêutrons de última geração, na Fonte de Nêutrons de Espalação no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia. Este novo instrumento fornecerá uma plataforma para estudar em tempo real a composição e o desempenho de uma ampla gama de materiais funcionais em ambientes variados.
VENUS irá beneficiar diversas áreas de pesquisa, incluindo o desenvolvimento de materiais relacionados à energia (por exemplo, baterias, combustíveis nucleares, biocombustíveis); materiais de engenharia avançada (por exemplo, ligas fabricadas aditivamente, alumínio e aço, fibras de carbono, concreto, copo); e estudos de materiais arqueológicos e naturais, fornecendo insights sobre processos geológicos, biologia e fisiologia vegetal.
Juntamente com SNS, a fonte de nêutrons baseada em acelerador pulsado mais poderosa do mundo, A VENUS será a única plataforma de instalação de pesquisa aberta nos EUA a fornecer recursos de imagem de nêutrons de tempo de voo para usuários da academia e da indústria.
Os nêutrons desempenham um papel importante em nossa compreensão do mundo material. Os cientistas os usam para estudar a estrutura da matéria - da bancada à escala atômica - porque os nêutrons são profundamente penetrantes, não carregue nenhum custo, e não são destrutivos, tornando-os adequados para estudar, por exemplo, estruturas biológicas, tensões e defeitos de metal, e comportamento magnético em materiais quânticos.
Em geral, à medida que os nêutrons se espalham, ou "rebatendo" átomos em um material, eles revelam informações sobre a localização e o comportamento de um átomo. Imagens de nêutrons, por outro lado, medidas na transmissão - conforme os nêutrons passam através de um material - para produzir uma radiografia de nêutrons, muito parecido com um raio-X clínico.
Imagens de dados reais ilustram distinções entre elementos pesados usados em combustíveis nucleares (à esquerda), várias orientações cristalinas em materiais manufaturados aditivamente (D-O-E), transporte de hidrogênio em sistemas vegetais e biológicos, identificar defeitos internos em materiais de engenharia, e análise não destrutiva de artefatos históricos. Crédito:ORNL / Jill Hemman
"A imagem de nêutrons trata do contraste - ver algo atrás de outra coisa ou ver a diferença entre um lado da amostra e o outro, "disse o cientista de instrumentos ORNL Hassina Bilheux, um desenvolvedor líder no projeto VENUS. "Por exemplo, se você quiser ver o lítio enquanto ele se move pela bateria, você precisa de contraste para isolar o sinal proveniente de íons de lítio. "
Construir a linha de luz VENUS no SNS irá alavancar a fonte de nêutrons baseada em acelerador da instalação e fornecer técnicas de imagem avançadas que complementam as atualmente disponíveis na fonte de nêutrons em estado estacionário do laboratório, o reator isotópico de alto fluxo. O acelerador de fonte pulsada SNS permite a técnica de tempo de voo, que usa nêutrons com registro de tempo que podem ser ajustados e pré-selecionados em uma gama de energias. A técnica fornece o contraste ajustável necessário para revelar informações estruturais com nêutrons de baixa energia usando uma abordagem chamada imagem de borda de Bragg. Ele também aponta elementos específicos dentro de uma amostra usando nêutrons de alta energia com imagens de ressonância para entender melhor as propriedades funcionais e comportamentos do material.
"Por exemplo, para distinguir entre certos elementos pesados, como európio, tântalo, gadolínio, e urânio, precisa-se de nêutrons de alta energia, que SNS fornece, "disse Bilheux." Medir com VENUS nos fornecerá mapas tridimensionais que nos mostram onde um elemento pesado está localizado dentro de uma amostra, e poderemos alternar entre diferentes elementos pesados. Essa capacidade será incrivelmente benéfica na otimização da eficiência de novos materiais nucleares, que é uma alta prioridade para o DOE. "
O VENUS está prestes a ser concluído em 2022 e deverá estar pronto para usuários científicos em 2023. A linha de luz garantirá que os Estados Unidos permaneçam competitivos com as fontes de fragmentação internacionais que já estão construindo ou operando atualmente instrumentos de imagem avançados.
Para cumprir o cronograma de 2023, os desenvolvedores estão usando uma parte do tempo do feixe no difratômetro SNAP para desenvolver software de imagem e treinar a comunidade de usuários antes do lançamento da VENUS. O design do instrumento e seus principais componentes também está em andamento.
"VENUS nos permitirá não apenas coletar informações sobre a estrutura de um material, mas também como a estrutura está mudando durante a carga aplicada, como calor ou pressão, "disse Bilheux." Seremos capazes de fazer mais experimentos e obter resultados mais rápidos, tudo sem ter que usar vários instrumentos de imagem. "
SNS é um recurso do DOE Office of Science. UT-Battelle LLC gerencia ORNL para o Departamento de Ciência do DOE. O Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos Estados Unidos é o maior apoiador da pesquisa básica nas ciências físicas nos Estados Unidos e está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes de nosso tempo.
